电子海图显示与信息系统(ECDIS)作为船舶导航信息综合输出终端,把各种导航传感器组合成一体,在海图信息的基础上完成各种有关船舶航行安全的综合与显示,已成为现代舰船综合导航系统的核心设备。用于航行和避碰的雷达/ARPA是狭水道、沿岸及雾中等复杂条件下航行不可缺少的设备;而电子海图与雷达的匹配定位导航,在ECDIS上叠加显示雷达图像和ARPA数据信息,可在航行水域海图信息的基础上提供本船、本船周围的静态目标与动态目标三者之间的位置关系。使本船对周围的态势和会遇局面一目了然,便于尽快判断会遇态势,避开航行危险和障碍物,做出避碰决策,并在电子海图上跟踪避碰决策的可行性。
1电子海图与雷达信息叠加功能的实现
随着信息技术和导航技术的发展,海图和雷达信息数字化后,两者间的数据传输成为可能,电子海图与雷达图像/ARPA数据信息的叠加显示成为可能和必然,任何一方的“图像”可以被叠加到另一方的图像上。
1.1雷达图象与电子海图的叠加原理
导航雷达是在二维极坐标系中测量背景信息,测出的背景信息量是方位角和距离,且大部分为模拟量(方位可以是数字量,距离是模拟量—宽脉冲);而电子海图显示用的是平面直角坐标系,且需要数字量,这就必须进行模拟/数字变换和坐标变换。雷达原始视频信号经过雷达接口装置实现雷达信号的高速采集和坐标变换,然后将变换后的直角坐标信息送给ECDIS,再与电子海图叠加显示[1];将ARPA输出的数字信号解码送入ECDIS,通过坐标变换显示在电子海图上。使雷达图像、ARPA数据和GPS船位与电子海图的信息重叠显示。
1.2雷达信号处理卡
对雷达技术的发展方向,船商公司提出了一个概念:一部ARPA雷达=普通天线收发机+普通PC机及显示器+船商雷达信号处理卡(RadarIntegratorBoard)。安插雷达信号处理卡的计算机能将雷达图像与矢量电子海图相叠加[2]。船商的NaviSailor3000型ECDIS主控计算机配有雷达信号处理卡,能将雷达视频信号转换成数字信号,将雷达图像和ARPA数据以及目标船的矢量与电子海图叠加,使ECDIS既能显示导航雷达输入的ARPA数据,又能使用雷达信号处理卡独立处理和跟踪目标,使电子海图系统同时具备雷达和ARPA功能,便于尽快作出判断和采取避碰措施。
2导航雷达在电子海图系统中的功能应用
2.1雷达图像和电子海图的所有数据叠加显示有助于安全航行
图像叠加的最大优势是将海图的基本信息,如岸线、碍航物、浮标和水上物标等,与实际雷达回波参照,对于判断目标回波很方便。浮标图形的显示可以使驾驶人员方便地区别浮标回波和目标回波,例如在长江雾中航行时,使用雷达捕捉灯浮,通过电子海图上显示的ARPA数据和叠加的雷达回波以及海图信息比较,可迅速判别灯浮和定位,效果非常明显。如果电子海图显示的岸线与雷达岸线图像重合,可迅速判断出本船和其它所有目标的相对位置,有助于提高驾驶人员的“位置感”。禁航区和孤立危险物的显示能使驾驶员在制订航线时考虑避开,防止航行事故。大量触礁或搁浅等事故是由于值班人员过度依赖雷达进行避碰航行所致,在雷达上并不能显示暗礁、浅滩、禁航区等海图要素;而电子海图上能同时显示暗礁、浅滩、禁航区、分道航行区、锚区、捕鱼区、海产养殖区等危险区域,将利于减少由于避免碰撞事故而导致的另一事故。
2.2在电子海图上叠加显示ARPA数据有助于船舶避碰
如果雷达图像的杂波太多,造成海图信息的显示被掩盖或难以区分,可把叠加图像调淡或关闭,只在电子海图上叠加显示ARPA数据。经ARPA雷达录取的所有目标船回波信号及目标船矢量可叠加显示于电子海图上,能立刻判断出移动目标、浮标和其它静止物标。当在电子海图上看到一个移动目标时,其进一步的动态可以相当精确地预测和判断出来,例如某个移动目标在分道通航制区域内航行接近分道通航转向点时,或驶向引航员登船区域或锚地时,或驶向碍航物需要转向时等等。这些雷达图像显示在电子海图上,驾驶人员就能相当准确地预测目标的动态。两者信息的组合使船舶在避碰或狭水道航行时能及时掌握周围的可航水域,迅速决定规避航线,不致于使船舶因避碰而驶向碍航物或浅滩。
2.3其它雷达信息在电子海图上叠加显示有助于导航定位
雷达光标和电子距离方位线可以选择在电子海图上叠加显示,当在雷达上选择物标进行方位距离定位时,雷达电子距离方位线会同时在电子海图上确定物标,帮助判明灯浮的编号或物标的属性,防止认错物标。在船舶驶向锚地抛锚时,用雷达预先确定锚地内船舶的位置,使用雷达光标读出的锚泊船的经纬度,然后在纸海图上定位,在实践中会发现定位误差较大,不能准确反应锚地内船舶的位置,原因是量程较大且雷达图像是极坐标。这种情况可以使用显示在电子海图上的雷达光标,在电子海图上定位或读取数据,消除误差。
3实际使用中出现的误差问题和修正方法
雷达图像的叠加功能有用与否关键取决于精度。比如电子海图雷达图像上一个灯浮的回波与电子海图灯浮存在偏差的话,这个偏差是由多个因素决定的,而且偏差是可以校准的。
3.1雷达信号处理卡的精度问题
雷达信号处理卡接收的信号是来自雷达收发机的原始信号,它把来自雷达天线的视频模拟信号进行模数转换和坐标变换,然后显示在海图上,同时还接收ARPA数据进行坐标变换并显示。在雷达/ARPA工作正常并在雷达信号处理卡图像校准后的情况下,在雷达上捕捉两个目标,然后在雷达信号处理卡上(即电子海图雷达叠加图像上)也同样捕捉这两个目标,如果二者的相同目标数据不一致,或一个与ARPA的相同目标一致,而另一个则不一致并存在较大误差,说明雷达信号处理卡的内在精度有较大问题。在实际使用中二者的误差是比较小的,至于在实践中出现的误差,主要是没有完全校准的原因。雷达信号处理卡的图像(电子海图雷达叠加图像)可以校对得和输入雷达一样准,当然它的校对是参照雷达的。
3.2雷达叠加图像误差的修正和校准
雷达叠加图像的精度问题,由于电子海图与雷达数据的坐标系不同,显示算法也不同,是叠加时产生误差的主要原因[3]。实践中发现雷达叠加图像不准,需要调整雷达信号处理卡初始参数或是海图需要更新。校对方法是在雷达上选一确定的固定目标,然后调节雷达信号处理卡的参数,使雷达信号处理卡的同一目标的方位、距离和雷达一致。
3.2.1将雷达信号处理卡的图像和ARPA(即雷达输入信息)校对到一致。校对工作可在码头或抛锚时进行,可以选2到3个固定的形状规则的物标,(选标原则按照陆标定位的选标原则),如灯浮、码头一角等。把雷达的量程尽量调小,使物标的形状尽可能的放大、尖锐、清晰,用电子距标圈和方位线标识出物标的某一位置,同时可在电子海图上显示。这样,可以参照这个点把雷达信号处理卡的图像调整准确,使雷达信号处理卡的图像和雷达一致(即和ARPA一致)。调整可能需要反复几次。当然也可以用雷达叠加图像捕捉的数据和雷达传送的ARPA数据相比较进行调整,但直观性会差一些。
3.2.2如果发现图像还不准,比如一个灯浮的回波与电子海图上的灯浮不能重合,可先在ARPA上捕获该灯浮目标,则该目标及其矢量线会自动显示在海图上,如果该目标与雷达信号处理卡的回波不重合,说明第一步还没校对到一致。ARPA的输入数据是数字信息,在雷达信号处理卡图像和ARPA校准后的前提下,如果该目标与电子海图上的灯浮不重合,那这个误差是ARPA的精度与电子海图的精度及GPS的精度误差的矢量和。更精确地说,这个误差还要包括电子海图中初始参数输入的雷达天线及GPS天线位置的精度。当然这个误差很小,如果这个误差比较大,在考虑ARPA和GPS精度后,说明电子海图需要更新。
